Die genaue Erfassung des Drehmoments, das auf rotierende Teile wirkt, spielt bei der Entwicklung und dem Betrieb unterschiedlichster Geräte eine zentrale Rolle - von riesigen Unterwasserturbinen für Gezeitenkraftwerke bis zu elektrischen Kleinstmotoren für Rasierapparate oder auto­matische Heizungsventile. Unabhängig von der Größe ist das Messprinzip meist dasselbe: Man misst die Verformung, die eine Kraft beim Einwirken auf ein mechanisches Element wie etwa eine Getriebewelle verursacht, und errechnet da­raus das Drehmoment. Doch herkömmliche Methoden haben einige Nachteile.

Akustische Oberflächenwelle

Deshalb hat das britische Unternehmen Sensor Technology eine patentierte Messlösung entwickelt, die auf einem völlig neuartigen Prinzip basiert. Das Mess-Element ist ein Wandler (Transducer) zur Erfassung von akustischen Oberflächenwellen (AOW), eines Phänomens, das häufig auch unter der englischen Abkürzung SAW (surface acoustic wave) Erwähnung findet.

Qualitäts­sicherung an Drehver­schlüssen für Flaschen in der Pharmazie: Mit dem Drehmomentsensor wird das Verschließen jeder Flasche im Bereich von 1 Nm überwacht und dokumentiert – bei einer Taktrate von einem Verschluss je Sekunde

© Althen

Das Kernstück des Wandlers sind zwei Elektroden, die in der Art von verschränkten Fingern ineinandergreifen. Die Elektroden aus einem dünnen Metallfilm sind auf einem piezoelektrischen Substrat angebracht, beispielsweise Quarz. Der Wandler wird auf dem mechanischen Element angebracht, das untersucht werden soll, also beispielsweise eine Getriebewelle. Legt man an einen solchen Wandler ein elek­trisches Signal einer bestimmten Frequenz im Radiobereich an, löst dies akustische Schwingungen aus, die sich auf der Oberfläche des Substrats fortpflanzen, die sogenannten akustischen Oberflächenwellen. Der Wandler bildet also einen Schwingkreis aus Elektrode und Substrat.

Durch das Drehmoment, das auf die Getriebewelle wirkt, wird diese mechanisch verformt. Diese Verformung überträgt sich auf das piezoelektrische Substrat des Wandlers, wodurch sich die Resonanzfrequenz des Schwingkreises ändert. Die Änderung der Resonanzfrequenz hängt also vom Drehmoment ab, das auf die Welle wirkt. Aufgrund dieses Zusammenhangs kann man einen solchen Wandler als frequenzabhängigen Kraftsensor nutzen.

Weil AOW-Wandler im Radiofrequenzbereich arbeiten, sind sie für den drahtlosen Austausch von Signalen prädestiniert. Das ist ein großer Vorteil gegenüber Dehnungsmessstreifen, denn der Wandler kann auf Wellen und anderen rotierenden Teilen platziert werden, ohne dass diese beispielsweise durch Kabel oder Schleifringe beeinträchtigt werden.

Vorteile gegenüber anderen Methoden

Damit sind die Voraussetzungen für wesentlich genauere Messungen und eine unterbrechungsfreie Datenübertragung gegeben, weil das Signal bei der Funkübertragung viel weniger beeinträchtigt wird als bei Schleifringen und anderen (elektro-)mechanischen Übertragungsverfahren. Das betrifft auch die Verarbeitungsgeschwindigkeit der Signale. Mit der Drehmomentmessung mittels AOW-Wandler werden die Messdaten erstmals in Echtzeit verfügbar. Das erweist sich in Testumgebungen als großer Vorteil, weil die Auswirkungen von veränderten Bedingungen sofort nachvollzogen werden können. Die Entwicklung der AOW-Wandler-Technologie hat eine neuartige, kompaktere und robuste Bauform für Drehmoment-Messgeräte ermöglicht. Die von Sensor Technology angebotenen Geräte der Familie Torqsense, die Althen vertreibt, können Dreh­momente von 1 Nm bis 13.000 Nm exakt messen. Auf Kundenwunsch sind Sonderanfertigungen für noch höhere Messbereiche möglich. Der Einsatz bei entsprechend hohen Rotationsgeschwindigkeiten ist nur möglich, weil die Mess-Elektronik kabellos mit dem Sensor verbunden ist und die Masseträgheit des eigentlichen Sensors auf dem beweglichen Teil vernachlässig-bar ist.

Obwohl die Drehmomentmessung mittels akustischer Oberflächenwellen eine relativ neue Technologie ist, haben die Torqsense-Geräte bereits in sehr unterschiedlichen Anwendungsfeldern ihre Vorteile bewiesen.

Die Einsatzbereiche

Ein bedeutender Bereich ist das Testen von elektrischen Pumpen unterschiedlichster Größen - angefangen bei Kleingeräten auf Sportbooten, bis zu Anlagen, die in Stahlwerken und anderen Industriebetrieben zum Einsatz kommen. Industrielle Pumpanlagen müssen regelmäßig instandgehalten werden. Nach Abschluss der Wartungsarbeiten werden die verschiedenen Kennlinien durchgetestet. Die Messung des Drehmoments zeigt, ob die Pumpe eine bestimmte Drehzahl erreicht und dabei auch die entsprechende Pumpleistung bringt. Für solche Anwendungen setzen Anwender im Industriebereich auf TorqSense, weil sich das System im Vergleich zu früheren Lösungen mit Dehnungsmessstreifen als deutlich weniger störungsanfällig erwiesen hat.

In der Entwicklung und Fertigung diverser Branchen gibt es jedoch noch viele weitere Testanwendungen, bei denen TorqSense-Geräte zum ­Einsatz kommen. Die Eignung für Drehzahlmessungen an Motoren liegt auf der Hand. Ebenso erlauben die ­Geräte die Ermittlung der Standfestigkeit von Stehbolzen oder anderen mechanischen Komponenten. So werden in entsprechenden Materialprüfständen Bolzen definiert verschraubt. Währenddessen misst das TorqSense-Gerät in Echtzeit das ­Drehmoment, das auf den Bolzen wirkt. Die Schraubkraft wird sukzessive so lange erhöht, bis der Bolzen bricht. Damit wird der Grenzwert für das Drehmoment er­mittelt, bis zu dem eine bestimmte Komponente eingesetzt werden kann. Für solche Testanordnungen ist es ein zusätzlicher Vorteil, dass die TorqSense-Geräte die erfassten Daten protokollieren. Auch ein Export in die LabView-Software für eine nachträgliche Detailanalyse ist möglich.

Bei anderen Anwendungen dient die Messung des Drehmoments dazu, Rückschlüsse auf eine ganz andere Größe zu gewinnen. In universitären Forschungslabors wird beispielsweise die Viskosität bestimmter Substanzen mit Hilfe von Rührwerken ermittelt, an ­deren Schaft ein Drehmomentsensor angebracht ist. Verändert sich die Vis­kosität der untersuchten Substanz, ändern sich auch die Kräfte, die auf den Schaft wirken. Denn wenn der Stoff zähflüssiger wird, steigt der Widerstand, der der Rotation des Rührwerks ent­gegenwirkt.

Generell kann die Messung mittels akustischer Oberflächenwellen als eine der am vielseitigsten einsetzbaren ­Methoden der Drehmomentmessung gelten, weil sie platzsparend, nicht an eine Laborumgebung gebunden und wegen der drahtlosen Signalübertragung sehr flexibel montierbar ist. Damit stellt ­TorqSense eine ideale Plattform für kundenspezifische Lösungen dar.

Autor: Thomas Richter ist Verkaufsgebietsleiter bei Althen.

Herkömmliche Messmethoden

Aufbau der Drehmomentaufnehmer mit AOW-Technologie. Rechts im Bild die noch unbestückte Messwelle. Links im Bild ist eine der Elektroden auf der Messachse erkennbar, darunter der Pickup für die Bestimmung des Drehwinkels.

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Zur Erfassung des Drehmoments sind im Lauf der Zeit viele verschiedene Methoden entwickelt worden. Ein großer Teil dieser Methoden geht über die Verformung der Welle. Neben optischen Methoden, wie der sogenannten Schatten-Moiré-Technik oder laserbasierten Ansätzen, gibt es eine ganze Reihe von elektrischen Verfahren, darunter kapazitive, induktive, piezoelektrische und resistive. Viele dieser häufig sehr kostspieligen Prozeduren lassen sich aber nur unter Laborbedingungen anwenden, was im industriellen Umfeld nicht immer praktikabel ist.

Eine wirtschaftlichere Alternative bietet die Krafterfassung mittels Dehnungsmessstreifen (DMS). Der DMS ist mit einer Stromquelle verbunden und wird direkt auf das mechanische Element appliziert, das dem Drehmoment ausgesetzt ist. Die mechanische Verformung des DMS ändert dessen elektrischen Widerstand, was sich in einer Änderung des Ausgangssignals niederschlägt.

Bei vielen praktischen Anwendungen hat diese Methode aber mit zwei Schwierigkeiten zu kämpfen. Erstens sind die Änderungen des Widerstands im Dehnungsmessstreifen recht gering, so dass die Messung sehr leicht durch Rauschen beeinträchtigt werden kann. Die Messgenauigkeit lässt daher zu wünschen übrig. Zweitens kann es überaus schwierig sein, den Messstreifen, der ja mit dem untersuchten Bauteil rotiert (und zwar oft sehr schnell), mit der Stromquelle zu verbinden. Hilfskonstruktionen mit Schleifringen oder induktiver Kopplung mittels Transformatoren sind zwar möglich, der Zeit- und Kostenaufwand dafür kann jedoch die wirtschaftlichen Vorteile der DMS-basierten Messung schnell zunichtemachen. Eine rundum befriedigende Lösung für die Erfassung des Drehmoments war damit lange Zeit nicht verfügbar.